针对直升机旋翼悬停时,大拉力附近悬停效率降低的情况,本文建立了基于前缘下垂的提升旋翼悬停气动特性的数值模拟方法,以积分形式的雷诺平均N-S方程为主控方程。首先以VR-12翼型为研究对象,研究前缘下垂角度对二维翼型气动特性的影响分析。其次,以修改后的7A旋翼为研究对象,探究了桨叶r/R=0.75~1位置处不同的前缘下垂角度对悬停状态的气动特性的影响。研究发现,前缘下垂对大迎角附近的二维翼型及三维悬停旋翼的气动特性均有较为明显的提升,并且能够有效抑制失速涡的生成。

为保证小型旋翼无人机近距编队悬停状态的安全性,采用数值模拟方法研究不同横向和纵向间隔双机悬停流场特征和气动参数变化规律,通过与实验结果对比,验证数值仿真方法的准确性。研究结果表明无人机内部旋翼间的气动干扰会导致整机单旋翼拉力降低、扭矩增大,使整机气动效率下降;当双机无横向间隔时,双机下洗流场保持对称,同时2股下洗流叠加,呈现较明显的横向扩张趋势,此时后机所受气动影响主要为拉力损失,当纵向间隔大于5 D时,该影响基本消失;当横向间隔X=1 D时,位于尾流区一侧的旋翼拉力减小,后机所受俯仰力矩作用显著,无人机有侧翻风险;横向间隔X≥2 D时,2机之间气动干扰较弱,为较安全区域。

为了保证旋翼无人机编队飞行时的安全性,探究双旋翼间的气动干扰作用,采用计算流体力学仿真的方法,研究悬停状态下不同间隔的双旋翼流场干涉特征和气动参数变化。首先通过单旋翼实验和数值结果对比,验证数值方法的有效性;然后分析不同间隔双旋翼流场干涉的截面速度分布和涡量分布特征;最后讨论双旋翼作用下间隔对气动参数的影响。研究结果表明气动干扰主要影响2#旋翼的流场特征和气动参数;当两旋翼无横向间隔时,流场可保持对称性,气动力变化主要表现为拉力和扭矩的降低;当横向间隔0.5D≤X≤1.0D时,2#旋翼速度场和涡量场扩散范围受限,其流场出现明显非对称特征;在X=0.5D且1.0D≤Z≤3.0D间隔时2#旋翼受到显著俯仰力矩作用,为悬停较危险区域。

为提高旋翼型微型、小型飞行器桨叶的升办性能，建立了一套基于悬停状态下的单旋翼、共轴双旋翼桨叶扭转设计方法。该方法通过理论推导和程序计算得到单旋翼的桨叶扭转几何安装角，考虑桨尖涡对桨叶几何安装角的影响，对桨尖的扭转几何安装角进行了修正，实现悬停状态下单旋翼桨叶扭转设计；考虑到桨尖涡以及上下旋翼间的气动干扰，对共轴双旋翼上、下旋翼进行了悬停状态下几何安装角的扭转设计，并对所设计的单旋翼、共轴双旋翼进行模拟仿真测试，仿真结果表明悬停状态下该方法设计的扭转单旋翼、共轴双旋翼与非扭转旋翼相比升力分别提升8．83％、35．87％；同时对水平风阻、翼展、转速对桨叶升力的影响进行了仿真模拟。

用三维激光多谱勒测速仪对共轴式双旋翼在悬停状态的流场进行了实验测量。测量了各测试点诱导速度沿三个方向（轴向，径向和周向）的分量，得到了两旋翼尾迹交汇，干扰下的流场直观图像和重要信息，为了对比，对单旋翼流场也进行了测试，并给出了二者之间的差别。

为了研究剪刀式旋翼的气动特征，在2m直升机旋翼模型试验台上进行了试验研究。试验中采用了新型研制的高精度旋翼天平和扭矩天平测量系统以及动态数据采集和处理系统，以确保试验结果的可靠性。作为对比，笔者首先针对普遍行浆进行了试验，给出了旋翼拉力和扭矩随总跷有变化的试验结果，然后，着重进行了剪刀式旋翼的试验，测量了旋翼的拉力和扭矩随不同的剪刀角的变化，并对不同旋翼间距对旋翼拉力和扭矩的影响进行了对比。结果表明，剪刀式旋翼的剪刀角和旋翼间距影响尾浆拉力大小，但对扭矩的影响不大。